智能指針之 weak_ptr

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1. weak_ptr 介紹 std::weak_ptr 是一種智能指針，它對被 std::shared_ptr 管理的對象存在非擁有性("弱")引用。在訪問所引用的對象指針前必須先轉換為 std::shared_ptr。 主要用來表示臨時所有權，當某個對象存在時才需要被訪問。轉換為shared_p ...


1. weak_ptr 介紹

std::weak_ptr 是一種智能指針，它對被 std::shared_ptr 管理的對象存在非擁有性("弱")引用。在訪問所引用的對象指針前必須先轉換為 std::shared_ptr。 主要用來表示臨時所有權，當某個對象存在時才需要被訪問。轉換為shared_ptr的過程等於對象的shared_ptr 的引用計數加一，因此如果你使用weak_ptr獲得所有權的過程中，原來的shared_ptr被銷毀，則該對象的生命期會被延長至這個臨時的 std::shared_ptr 被銷毀為止。 weak_ptr還可以避免 std::shared_ptr 的迴圈引用。

std::weak_ptr簡單使用：（編譯系統：Linux centos 7.0 x86_64　編譯器：gcc 4.8.5 ）

#include <memory>
#include <iostream>

class foo
{
public:
    foo()
    {
        std::cout << "foo construct.." << std::endl;
    }

    void method()
    {
        std::cout << "welcome Test foo.." << std::endl;
    }

    ~foo()
    {
        std::cout << "foo destruct.." << std::endl;
    }
};

int main()
{
    // weak_ptr
    foo* foo2 = new foo();

    // share_ptr 管理對象
    std::shared_ptr<foo> shptr_foo2(foo2);

    // weak_ptr 弱引用
    std::weak_ptr<foo> weak_foo2(shptr_foo2);

    // 如果要獲取數據指針，需要通過lock介面獲取
    weak_foo2.lock()->method();

    std::shared_ptr<foo> tmp =  weak_foo2.lock();

    // 我們這邊有嘗試多次獲取所有權（lock），看一下引用計數個數
    std::cout << "shptr_foo2 RefCount: " << weak_foo2.lock().use_count() << std::endl;

    return 0;
}

執行結果： 

bash-4.2$ ./share_ptr 
foo construct..
welcome Test foo..
shptr_foo2 RefCount: 3
foo destruct..

我們可以看到，weak_ptr多次通過lock轉換成shared_ptr，獲得shared_ptr後可以成功調用管理對象的方法，這個過程中引用計數是在增加的，因此如果原來的shared_ptr銷毀是不影響你這個臨時對象使用， 資源析構正常。 下麵是gnu STL 庫中最後調用lock函數會跑到的地方，引用計數 + 1 。(GNU STL 文件：shared_ptr_base.h)

2. weak_ptr 實現和迴圈引用問題

1. shared_ptr 迴圈引用問題

我們首先看一下迴圈引用的問題，具體代碼如下：

測試類:

#include <memory>
#include <iostream>

class foo;
class Test
{
public:
    Test()
    {
        std::cout << "construct.." << std::endl;
    }

    void method()
    {
        std::cout << "welcome Test.." << std::endl;
    }

    ~Test()
    {
        std::cout << "destruct.." << std::endl;
    }

public:
    std::shared_ptr<foo> fooptr;
};

class foo
{
public:
    foo()
    {
        std::cout << "foo construct.." << std::endl;
    }

    void method()
    {
        std::cout << "welcome Test foo.." << std::endl;
    }

    ~foo()
    {
        std::cout << "foo destruct.." << std::endl;
    }

public:
   std::shared_ptr<Test> testptr;
};

main函數:

int main()
{
    // 迴圈引用 測試
    Test* t2 = new Test();
    foo* foo1 = new foo();

    std::shared_ptr<Test> shptr_Test(t2);
    std::shared_ptr<foo>  shptr_foo(foo1);

    std::cout << "shptr_Test RefCount: " << shptr_Test.use_count() << std::endl;
    std::cout << "shptr_foo RefCount: " << shptr_foo.use_count() << std::endl;

    shptr_Test->fooptr = shptr_foo;
    shptr_foo->testptr = shptr_Test;
      
    std::cout << "shptr_Test RefCount: " << shptr_Test.use_count() << std::endl;
    std::cout << "shptr_foo RefCount: " << shptr_foo.use_count() << std::endl;

    return 0;
}

測試結果：

bash-4.2$ ./share_ptr 
construct..
foo construct..
shptr_Test RefCount: 1
shptr_foo RefCount: 1
shptr_Test RefCount: 2
shptr_foo RefCount: 2

從列印結果可以很明顯的看出，經過迴圈引用， 對象引用計數變成了2，並且執行完後，資源沒有釋放，沒有調用類的destruct（析構）函數。

將類中的std::shared_ptr 換成 std::weak_ptr：

class foo;
class Test
{
public:
    Test()
    {
        std::cout << "construct.." << std::endl;
    }

    void method()
    {
        std::cout << "welcome Test.." << std::endl;
    }

    ~Test()
    {
        std::cout << "destruct.." << std::endl;
    }

public:
    std::weak_ptr<foo> fooptr;
};

class foo
{
public:
    foo()
    {
        std::cout << "foo construct.." << std::endl;
    }

    void method()
    {
        std::cout << "welcome Test foo.." << std::endl;
    }

    ~foo()
    {
        std::cout << "foo destruct.." << std::endl;
    }

public:
    std::weak_ptr<Test> testptr;
};

再看下weak_ptr的執行結果，可以看到計數正常，資源成功釋放：

bash-4.2$ ./share_ptr 
construct..
foo construct..
shptr_Test RefCount: 1
shptr_foo RefCount: 1
shptr_Test RefCount: 1
shptr_foo RefCount: 1
foo destruct..
destruct..

2. weak_ptr 實現

我們這邊貼一下weak_ptr類的代碼:

template <class T>
class weak_ptr
{
public:
    template <class S>
    friend class weak_ptr;

    template <class S>
    friend class shared_ptr;

    constexpr weak_ptr() noexcept : m_iWeakRefCount(nullptr), m_ptr(nullptr) { }

    weak_ptr( const weak_ptr<T>& rhs ) noexcept : m_iWeakRefCount(rhs.m_iWeakRefCount)
    {
        m_ptr = rhs.lock().getPointer();
    }
 
    weak_ptr( const shared_ptr<T>& rhs ) noexcept
     : m_iWeakRefCount(rhs.m_iRefCount), m_ptr(rhs.m_ptr) { }

    template <typename S>
    weak_ptr & operator=(const shared_ptr<S> & rhs)
    {
        m_ptr = dynamic_cast<T *>(rhs.m_ptr);
        m_iWeakRefCount = rhs.m_iRefCount;
        return *this;
    }

    template <typename S>
    weak_ptr & operator=(const weak_ptr<S> & rhs)
    {
        m_ptr = dynamic_cast<T *>(rhs.m_ptr);
        m_iWeakRefCount = rhs.m_iWeakRefCount;
        return *this;
    }

    weak_ptr& operator=( const weak_ptr& rhs ) noexcept
    {
        m_iWeakRefCount = rhs.m_iWeakRefCount;
        m_ptr = rhs.m_ptr;

        return *this;
    }

    weak_ptr& operator=( const shared_ptr<T>& rhs ) noexcept
    {
        m_iWeakRefCount = rhs.m_iRefCount;
        m_ptr = rhs.m_ptr;

        return *this;
    }

    shared_ptr<T> lock() const noexcept
    {
        shared_ptr<T> tmp;
        if(m_iWeakRefCount && *m_iWeakRefCount > 0)
        {
            tmp.m_iRefCount = m_iWeakRefCount;
            tmp.m_ptr = m_ptr;

            if(tmp.m_iRefCount)
            {
                ++(*tmp.m_iRefCount);
            }
        }

        return tmp;
    }

    int use_count()
    {
        return *m_iWeakRefCount;
    }

    bool expired() const noexcept
    { 
        return *m_iWeakRefCount == 0;
    }

    void Reset()
    {
        m_ptr = NULL;
        m_iWeakRefCount = NULL;
    }

private:
    int * m_iWeakRefCount; 

    T* m_ptr;
};

主要註意的是lock函數，如果計數指針為空，那麼會返回一個空的shared_ptr，然後就是不能重載operator*和operator-> 操作符。

主要參考： cppreference.com
完整實現見：smart_ptr

3. enable_shared_from_this

這邊還有一個點也要介紹一下，那就是enable_shared_from_this，這個主要是為了處理在shared_ptr管理的對象中要使用該對象的指針所引出的問題。 我們看下下麵這個例子： 

class foo
{
public: 
    std::shared_ptr<foo> getptr() 
    {       
        //  如果類中要返回自己的指針怎麼辦？  
        return std::shared_ptr<foo>(this);  
    }   

    ~foo() 
    { 
        std::cout << "foo destruct .. " << std::endl; 
    }
};

int main()
{
    std::shared_ptr<foo> bp1(new foo());
    bp1->getptr();  
    std::cout << "bp1.use_count() = " << bp1.use_count() << std::endl;
}

看下結果，釋放兩次：

ash-4.2$ ./share_ptr 
foo destruct .. 
bp1.use_count() = 1
foo destruct ..

其實我們都不用測試，因為你如果直接使用該對象的this指針又拷貝給另一個shared_ptr，那不就等於兩個沒有關係的shared_ptr管理同一個對象了嗎？ 釋放的時候等於會調用兩次該對象的析構函數。enable_shared_from_this就是用來解決這個問題的。看下代碼：

class foo : public std::enable_shared_from_this<foo>
{
public: 
    std::shared_ptr<foo> getptr() 
    {         
        return shared_from_this();  
    }   

    ~foo() 
    { 
        std::cout << "foo destruct .. " << std::endl; 
    }
};

int main()
{
    std::shared_ptr<foo> bp1(new foo());
    bp1->getptr();  
    std::cout << "bp1.use_count() = " << bp1.use_count() << std::endl;
}

看下結果，成功釋放：

bash-4.2$ ./share_ptr 
bp1.use_count() = 1
foo destruct ..

總結一下，weak_ptr本質是以一種觀察者的形象存在，它可以獲取到觀察主體的狀態，但是無法獲取直接獲取到觀察主體，無法直接對觀察主體修改，無法釋放觀察主體的資源，你只能通過轉換成shared_ptr來做一些事情。 和觀察者模式很像，訂閱，得到觀察主體狀態，在多線程環境下會比較管用！

2018年9月30日00:40:02


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